简易直流电子负载

..(简易直流电子负载)

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XX年全国大学生电子设计竞赛

简易直流电子负载（C题）

【XX组】

XX年X月X日

摘要

简易直流电子负载主要由恒流电路、电压电流控制电路、输出过压保护电路、电源电路和单片机控制与显示系统五部分组成。直流电子负载是以MOS管电压转换电流原理为核心，以硬件反馈实现恒流为基础，以单片机控制为中心的高精度作品。恒流部分的控制端采用运算放大器LM324接成闭环反馈控制形式，并用大功率MOS管作为恒流电路调整管，用水泥电阻做采样电阻，具有良好的调控线性和稳定性。稳压电源部分设置由多个单电源为各部分电路供电。显示部分采用液晶显示器，能够直观、方便地显示设定电流和实测电流数据。系统达到了恒流稳定性高的效果，实时显示电压电流，输出电流为100mA~1000mA，步进为10mA。直流负载热稳定性高，工作过程中基本不会因发热而产生偏差，且可以持续很长时间，具有过压保护功能，成本低廉，可靠性高。

关键字：电子负载；恒流电路；电压电流检测电路；过压保护电路。

目录

1设计方案的论证与选择 (3)

1.1系统整体方案 (3)

1.2 各部分方案的论证及选择 (4)

2电路原理分析与计算 (5)

2.1恒流电路部分 (5)

2.2控制电路部分 (6)

2.3电源电路部分 ............................................................................ 错误!未定义书签。

2.4过压保护部分 (9)

2.5键盘与显示部分电路 (10)

4测试方法与测试结果 (10)

4.1测试方法 (11)

4.2测试条件及仪器 (11)

4.3 测试结果及分析 (12)

4.3.1测试结果 (12)

4.3.2测试分析 (13)

5设计总结 (14)

参考文献 (14)

附录1整体电路图 (14)

附录2源程序 (15)

附录3测试数据 (15)

附录4 元件清单 (16)

简易直流电子负载（C题）

【XX组】

1设计方案的论证与选择

1.1系统整体方案

本系统主要由单片机控制模块、电源模块、键盘与显示模块、恒流模块以及过压保护模块组成，以恒流电路为核心，用键盘对单片机进行控制，再通过单片机内部D/A 输出控制MOS管等电路产生恒定电流，当直流稳压电源在一定范围内变化时，流过本直流电子负载的电流保持恒定。同时该系统设计了过压保护电路，过压阈值为18V，实现了对恒流电路的有效保护。电路中的功率部分采用了MOSFET场效应管，很好地实现了电流调整。电路采用简单的7805、7812和7912对控制电路供电。电路相对较简单，不仅成本低、器件易购，而且稳压效果较好。总体来说，整个电路能够良好的实现其设计功能。

直流电子负载电路系统总体框图如图1-1所示：

图1-1 直流电子负载系统整体框图

1.2 各部分方案的论证及选择

1、恒流控制部分

方案一：

采用UC3843作为控制核心。本方案采用TI公司的PWM控制芯片UC3843来控制MOS 管IFRP460的开关，从而将提供的15V电源电压转换成方波脉冲信号，脉冲频率由外围电路中控制端电容电阻参数来确定。

方案二：采用单片机编程生成脉冲信号。采用TI公司的MSP430G2单片机编程，通过取反语句，循环语句，并通过对时间的设定可以实现固定频率的方波脉冲的产生。

方案三：采用tl494作为控制核心。……..

2、电源电路部分

方案一：采用三端固定式的集成稳压器78XX系列。此方案用集成稳压器制作电源的电路相对较简单，不仅成本低、器件易购，而且三端稳压集成块的稳压效果较好。不足的地方是三端稳压集成块输出电流要求不能太大，但该电路中电流值较小，对其作用并无影响。

方案二：采用三端可调式的LM317集成稳压器。LM317作为输出电压可变的集成三端稳压块，输出电压在1.25V~37V范围内连续可调，能够提供超过1.5A的电流，线性调整率为0.01%，负载调整率为0.1%，纹波抑制比为80dB，是一种使用方便、应用广泛的集成稳压块。其原理十分简单，达到的稳压精度很高，但电路比较复杂。

方案三：利用串联型可调稳压电路提供电源。直流型稳压电源由电源变压器、整流滤波电路以及稳压电路组成，低噪声、低纹波、有良好的负载调整率，能得到稳定的直流电压，但是该电路的稳压部分需要的电子器件较多，体积很大，对器件的性能要求较高，电路结构复杂，效率也很低，仅适用于小功率的场合。

由于STC12C5A60S2单片机需要4.5V~5.5V电压供电，而三端固定式的集成稳压器输出电压的电压偏差为5%，即在4.75V~5.25V之间；而恒流部分、电流检测部分和显示部分等电路需要5V电压供电，综上述分析，对比后采用电路相对简单的方案一。

3、输出过压保护部分

方案一：通过单片机直接进行电压的检测。直接将待测电压经过A/D模块处理后传

送给单片机进行检测。

方案二：通过运放及相应的电阻组成电压比较器对电压进行相应的处理，将基准电压加在运放的同相端，当运放输入端电压超过基准电压时，运放输出端控制继电器自动断开，从而断开外接电源输入端，最终起到过压保护的功能；当运放输入端电压小于基准电压时，此时外接电源正常接入电子负载，电路正常工作。

经过分析，方案一要检测的电压很有可能要高于单片机的最大输入电压，严重时可能把单片机烧毁。同时，在方案一中其待测的电路所产生的电流将影响测量电压的结果。而方案二则不然，当电压过大时，可以利用电阻串联的形式构成分压电路，将电压按一定比例减小，同时利用运算放大器的虚断特性，在很大程度上降低了被测电路其电流对检测结果的影响。所以采用方案二。

2电路原理分析与计算

2.1恒流电路部分

电路原理图如图2-1所示，恒流电路主要由负载电阻R1、运放LM324以及功率管Q1三部分组成。MOS型晶体管的特点是特别适合于开关状态工作，具有导通电流的能力，且当MOS管导通电压一定时，其通流的能力不变，即流过MOS管电流的大小为固定值，因为它正向导通时的电阻极小，而且开关速度快。由于设计所需电流范围100mA～1000mA，步进为10mA，过压阈值为18V±0.2V，电路中所需的MOS管的承受电压必须大于18V,通流能力必须大于1A，而IRF540MOS管的漏源电压VDSS=100V,漏极电流ID=28A,满足设计要求。根据闭环同相放大电路的深度负反馈概念，通过反馈电阻Rf和负载电阻R1构成负反馈电路，控制电压Vin通过运放U1输出的电压基本保持恒定；再根据闭环同相放大电路的虚短概念，即Vp=Vn，运放的反相输入端电压将等于控制电压，即控制MOS管之间的栅源电压为定值，从而使流过Q1和负载电阻R1的电流的大小保持恒定，即控制恒流源输出电流。

当最电流为1000mA时：

Vo=(R3+R4)*Imax

得到输入运放同相端的电压为：

Vi=Vo/(1+R3/R4)=2V。